2月 22, 2024

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数十年にわたる物理学のパズル:ファインマンのスプリンクラー問題がついに解決:サイエンスアラート

数十年にわたる物理学のパズル:ファインマンのスプリンクラー問題がついに解決:サイエンスアラート

何世代にもわたって、夏の暑さのため、子供たちは古い S 字型の庭のスプリンクラーによって作られた急流を駆け抜けてきました。

しかし、スプリンクラーヘッドが水没して水に浸かった場合、スプリンクラーヘッドはどうなるでしょうか? 流れる水の力によって流れが逆になった場合、通常のスプリンクラーと同じように回転しますか、それとも吸引力によって回転が前方に引っ張られると逆方向に回転しますか? 不思議と静止している可能性はありますか?

これだよ 数十年来の問題 20 世紀半ばに有名な物理学者リチャード ファインマンによって有名になった質問。… として知られるようになりました。 ファインマンの機関銃問題

現在、数学者のグループは、数学的モデリングに裏付けられた一連の実験室実験を通じて、最終的に問題を解決したと信じています。

確かに彼らが最初の試みではありませんが、彼らの予測が実験結果によって検証されることは有益でしょう。

水流は通常のスプリンクラー (左) から放出され、逆スプリンクラー (右) の内部チャンバーで衝突します。 (王ら、 レット物理学牧師、2024年)

1940年代初頭、ファインマンはプリンストン大学の大学院生でした。 一時的なエクスペリエンスを構築しました 同僚らによると、これは機関銃が多少の振動を加えた後も安定していることを示したという。 エルンスト・マッハも 1883 年に、この問題に関する最初の文書化された言及の中で同様に考えました。

それ以降の実験では相反する結果が得られ、一部では機関銃の頭部が確認されました。 反対方向に回転する; 他の人もそれに気づいた 方向転換を間違える または、ほんの一瞬だけ移動します。

ニューヨーク大学の物理学博士課程の学生、Caizhi Wang氏とその同僚は、これらの矛盾は、以前の実験設定の幾何学形状と、他の力に抵抗する可能性がある回転シャフトと内部ベアリングの間の摩擦によるものであると考えました。

そこで彼らは、カスタムメイドのリバース ギアが自由に回転できるようにする、新しい超低摩擦ローラー ベアリングを開発しました。 スプリンクラーには湾曲した管で作られた 2 本のアームと、水で満たされたタンクに装置を浸漬したときに水を吸収する円筒管の上部にサイフォンが付いていました。

また、汲み上げた水が流れ込んだタンクからポンプで水を汲み上げ、無限に運転できる設計になっています。 これにより、研究者らはこれまでの実験よりも長い数時間実験を行うことができた。

ポンプを備えた水で満たされたタンク内に配置され、レーザーで照射されたスプリンクラーの内部軸を示す 3 つの部分からなる図。
実験的なセットアップ。 (王ら、 レット物理学牧師、2024年)

研究チームはまた、着色染料、レーザー散乱微粒子、高速カメラを使用してスプリンクラーの回転と水の流れを視覚化して記録し、実験結果をモデリング出力と比較できるようにしました。

「リバーススプリンクラーは、水を吸い込むときと放出するときとで逆方向または反対方向に回転することがわかりました。その理由は微妙で驚くべきものです。」 彼は説明する ニューヨーク大学の数学者であり、この研究の筆頭著者であるレフ・リストロフ氏。

通常のスプリンクラーは、ロケットの回転バージョンのようなものだと考えてください。スプリンクラー ヘッドは、噴出するウォーター ジェットの反対方向に押されます。

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ワン氏らは、リバーススプリンクラーでは、入ってくるウォータージェットがスプリンクラーの内部チャンバーで互いに衝突するが、完全に正面から衝突するわけではなく、軸を回転させるトルクを生成することを発見した。

スプリンクラー軸の動きは一定ではなく、流出スプリンクラーの動きより 50 倍遅いとはいえ、逆方向に回転しました。 (以下のビデオでは、ストリームの視認性を向上させるためにデバイスの回転が防止されています。)

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「実験とモデルの結果の一致度は非常に印象的です」とマギル大学機械工学者のマイケル・ベドゥーシス氏は語った。 フィリップ・ポールはこう言った 物理ジャーナル

他の物理学者 承認する 実験はこの流体問題のメカニズムを解明するのに役立ち、いくつかの実用的な応用が可能になる可能性があります。

レストルーフ 彼は言う。 この結果は、動きや力を生成して、流れる空気や水からエネルギーを回収する工学技術に応用できます。

「私たちは現在、構造物を通る流体の流れが動きを引き起こす可能性がある状況について、よりよく理解できるようになりました。」 追加 コロラド鉱山学校の数学者で論文の共著者の一人であるブレナン・スプリンクル氏。

この研究は、 物理的なレビューレター

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